Устройство нашей Вселенной, Рубин С.Г., 2006
Устройство нашей Вселенной, Рубин С.Г., 2006.
В книге излагаются современные взгляды на происхождение и эволюцию Вселенной. Почему законы природы именно такие, какими мы их наблюдаем? Могли бы они быть другими и к чему бы это привело? Что ждет в будущем мир, в котором мы живем, и возможно ли существование других вселенных? Для всех, интересующихся проблемами современного естествознания.
ИНГРЕДИЕНТЫ ВСЕЛЕННОЙ.
С тех пор, как человек стал проявлять интерес к окружающему миру не только с точки зрения основных инстинктов, его понимание природы непрерывно совершенствовалось. Человек узнавал о новых объектах, составляющих мир, в котором мы живем, об их взаимосвязях. Круг знаний постоянно расширялся, но, как заметил еще Пифагор, вместе с тем увеличивалась и область соприкосновения с неведомым. Каждый раз, как только ученым удавалось объяснить какое-либо явление, возникало несколько новых, еще более сложных вопросов. Это напоминало бой былинного богатыря с драконом, у которого после отсечения одной головы вырастают три новые, причем еще более неприятные. К счастью, в науке новые головы-вопросы вырастают не на одном и том же месте. Любая теория, которая является не чем иным, как ответом на очередной вопрос, остается правильной и в дальнейшем. Уточняется лишь область ее применимости. Так постепенно усложняются наши представления о Вселенной, ее устройстве и взаимоотношении частей, ее составляющих.
Долгое время Вселенная рассматривалась как некий контейнер, в который каким-то образом помещены объекты для изучения — частицы, планеты, звезды и т.д. Делом ученых было описание этих объектов и их взаимодействия друг с другом. Первые облачка, бросающие тень на эту идиллическую картину, появились после открытия А. Фридмана, обнаружившего, что стационарное состояние Вселенной неустойчиво и она должна либо расширяться, либо сжиматься. Если, конечно, общая теория относительности Эйнштейна верна.
ОГЛАВЛЕНИЕ
ПРЕДИСЛОВИЕ
ВВЕДЕНИЕ
Глава 1. ИНГРЕДИЕНТЫ ВСЕЛЕННОЙ
О здравом смысле и научном подходе
Элементарные частицы
Античастицы
Виды взаимодействий
Электромагнитное взаимодействие
Гравитационное взаимодействие
Слабое взаимодействие
Сильное взаимодействие
Модель Вайнберга—Салима. Успехи и проблемы
Квантовая теория
Поля
Макрообъекты
Эффект Доплера
Закон Хаббла
Компактные объекты
Звезды
Белые карлики
Нейтронные звезды
Черные дыры
Квазары
Скрытая масса (темная материя)
Поиски скрытой массы
Эффект линзирования
Эффект Доплера
Горячие газовые облака
Носители скрытой массы
Разнообразие MACHOs
Как обнаружить MACHOs?
Неуловимые WIMPs
Скрытая масса — холодная или горячая?
Темная энергия — энергия вакуума?
Топологические дефекты
Про кротовые норы
Глава 2. ПРОШЛОЕ, НАСТОЯЩЕЕ И БУДУЩЕЕ ВСЕЛЕННОЙ
Как из искры возгорелось пламя
Основные проблемы Большого взрыва
Период сверхбыстрого расширения Вселенной
Основные вопросы к инфляции
Странные наблюдатели
Красное смещение
Молодые годы
Рождение барионов
Эти опасные античастицы
Появление гелия
Космологический нуклеосинтез
Первичные флуктуации — причина зарождения галактик
Состав Вселенной до первых звезд
Закон Хаббла
Реликтовое излучение
Прогнозы на будущее
Многомерное пространство
Глава 3. ЖИЗНЬ ГАЛАКТИК
Звезды — основной объект
Солнце
Эволюция звезд
Сверхновые
Белые карлики
Нейтронные звезды
Массивные черные дыры
Механизм рождения массивных первичных черных дыр
Джеты1
Квазары1
«Ненужное» открытие
Квазар — яркая черная дыра?
Нежелательные соседи
Переменная яркость
Поставщики информации
Родственники
Планеты
Межзвездная среда
Области антиматерии
Космические лучи
Гамма-вспышки
Галактики
Млечный Путь
Эволюция галактик
Глава 4. ИНСТРУМЕНТАРИЙ
Детекторы электромагнитного излучения
Радиотелескопы
Инфракрасные телескопы
Оптические телескопы
Детекторы рентгеновского и гамма-излучения
Кванты-гиганты
Нейтринные детекторы
Лайман-альфа лес
Глава 5. КОНСТРУКТОР ВСЕЛЕННЫХ
Антропный принцип
Создаем Вселенную
Звезды созданы — что дальше?
О красоте теорий
Случайный потенциал
Замечание напоследок
Глава 6. ЖИЗНЬ ЦИВИЛИЗАЦИЙ
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
ПРИЛОЖЕНИЯ
1. Соотношение неопределенностей и размер атома
2. Пространство де Ситгера
3. Масса Джинса
4. Взаимосвязь свойств пространства-времени и материи
5. Расширение пространства и динамика частиц
6. Инфляция — первые мгновения жизни Вселенной
7. Масса белого карлика и принцип Паули
8. Сверхсветовые скорости джетов?
9. Разрушительное влияние приливных сил
ЛЖЕНАУКА И ЧТО С ЭТИМ МОЖНО ПОДЕЛАТЬ
Краткий самоучитель по созданию лженаучных теорий
Опасности и как их избежать
О лжеученых
О пользе лженауки
СЛОВАРЬ ТЕРМИНОВ
ЛИТЕРАТУРА.
Бесплатно скачать электронную книгу в удобном формате, смотреть и читать:
Скачать книгу Устройство нашей Вселенной, Рубин С.Г., 2006 — fileskachat.com, быстрое и бесплатное скачивание.
Скачать pdf
Ниже можно купить эту книгу по лучшей цене со скидкой с доставкой по всей России. Купить эту книгу
Источник
Устройство нашей Вселенной, Рубин С.Г., 2008
Устройство нашей Вселенной, Рубин С.Г., 2008.
В книге излагаются современные взгляды на происхождение и эволюцию Вселенной. Почему законы природы именно такие, какими мы их наблюдаем? Могли бы они быть другими и к чему бы это привело? Что ждет в будущем мир, в котором мы живем, и возможно ли существование других вселенных?
Нейтронные звезды.
В нейтронных звездах настолько тесно, что расстояния между ядрами сравнимы с размером протона. Электронам уже негде проявлять свои коллективные качества, и они «вдавливаются» в протоны. Образовавшиеся нейтроны и составляют, как нетрудно догадаться, основное содержимое нейтронной звезды. Плотность такого вещества составляет в среднем 1017кг/м3. Можно сказать, что нейтронная звезда — это атомное ядро больших размеров, хотя на самом деле состояние вещества внутри нее очень сложно. И все-таки усилия ученых уже позволяют описать в общих чертах внутреннее строение нейтронной звезды.
Внешний слой, магнитосфера, состоит из плазмы. Затем идет слой вещества, состоящий из мелких кристаллов. В ячейках каждого кристаллика расположены ядра с атомными массами в интервалах 26-39 и 58-133, а электроны находятся между ними. Плотность в этом слое равна примерно 3-1012 г/см3. Ближе к центру находится третий слой, состоящий из тяжелых ядер, нейтронов и электронов. Плотность третьего слоя в 103 раз больше, чем плотность слоя над ним. В следующем, четвертом слое ядра распадаются на нейтроны (в основном) плюс небольшая добавка протонов и электронов. На каждый электрон и протон приходится по 8 нейтронов.
Бесплатно скачать электронную книгу в удобном формате, смотреть и читать:
Скачать книгу Устройство нашей Вселенной, Рубин С.Г., 2008 — fileskachat.com, быстрое и бесплатное скачивание.
Скачать djvu
Ниже можно купить эту книгу по лучшей цене со скидкой с доставкой по всей России. Купить эту книгу
Источник
«Устройство нашей Вселенной». Главы из книги
В книге излагаются современные взгляды на происхождение и эволюцию Вселенной. …
Введение
Обозначения
В астрофизике массы объектов обычно измеряются в массах Солнца, обозначаемой \( M_ <\bigodot>\). Все скорости удобно измерять в скоростях света, так что скорость любой массивной частицы v , а всюду в формулах полагается скорость света с = 1 . Так, энергия покоящейся частицы просто равна ее массе, E = m , обе величины измеряются в электронвольтах (эВ). Связь полной энергии частицы с ее импульсом имеет вид E = (p 2 + m 2 ) 1/2 . Для частиц, массой которых можно пренебречь (ультрарелятивистские частицы, нейтрино), а также фотонов используется формула Е = р . Постоянную Больцмана k также во всех выражениях считаем равной единице, так что температура тоже измеряется в электронвольтах.
При этом для оценок полезно помнить, что температура 1 ГэВ — это примерно 10 13 К, а применительно к массе, 1 ГэВ — примерно 2 · 10 −24 граммов .
Скорость света c, постоянная Планка ħ и гравитационная постоянная G считаются фундаментальными константами. Из них можно «соорудить» величины с размерностью «время», «длина» и «масса» и измерять все величины в единицах планковской длины, планковского времени и массы Планка:
Эта так называемая планковская система единиц оказывается удобной в теоретических исследованиях. Читатель, не привыкший к переходу от одних единиц измерения к другим, может не заботиться об этих деталях, а просто следить за самими величинами, поверив, что все эти переходы сделаны правильно.
Полезно привести таблицу характерных астрономических расстояний.
- Радиус Земли — 6,4 · 10 8 см .
- Радиус Солнца — 6,9 · 10 10 см .
- Расстояние от Земли до Луны — 3,8 · 10 10 см .
- Расстояние от Земли до Солнца — 1,5 · 10 13 см .
- Расстояние от Земли до ближайшей звезды (Проксима Кентавра) — 4,0 · 10 18 см .
- Радиус нашей Галактики — 2.3 · 10 4 парсек .
- Расстояние до соседней галактики Магеллановы Облака — 5 · 10 4 парсек .
- Размер видимой части Вселенной — 6000 мегапарсек, или 10 28 см.
- 1 световой год — 0,95 · 10 18 см .
1 парсек — 3,1 · 10 18 см .
Парсек (пк) — это расстояние, с которого большая полуось земной орбиты видна под углом, равным 1 секунде.
Глава 5. Конструктор вселенных
Я хочу знать, как Бог создал этот мир. Мне неинтересно то или иное явление, спектр того или иного элемента. Я хочу знать Его мысли, остальное — детали.
А. Эйнштейн
В предыдущих главах читатель узнал об основных этапах жизненного пути нашей Вселенной и об основных законах, которым подчиняется Природа. Конечно, далеко не все законы уже открыты физиками, многие ждут своего часа. Развитие науки идет широким фронтом во многом благодаря прорыву в космологии, использующей достижения всех научных направлений. Это и неудивительно — ведь космология призвана объяснить свойства всей Вселенной начиная с момента ее рождения. Поэтому специалист в любой области физики может быть востребован в этой быстро развивающейся области.
Сейчас как раз подходящий момент остановиться и подумать о более глубоких проблемах, а именно: к чему, собственно ученые должны стремиться? Очевидный ответ — к объяснению законов природы — слишком абстрактен и удовлетворяет уже далеко не всех. Обсуждаются вопросы типа: можно ли объяснить все законы природы, почему выполняются именно эти законы, а не другие и, наконец, почему законы вообще выполняются? Предположим, мы пришли к цели и создали окончательную «теорию всего». В современной научной литературе такая возможность обсуждается и даже введена устоявшаяся аббревиатура ТОЕ (Theory Of Everything). Что она должна собой представлять и на чем должна быть основана? Похоже, есть три основных варианта:
А. Законы созданы неким высшим разумом для каких-то своих целей. Ведь создают же ученые питательную среду в пробирках и чашках Петри для размножения микробов. И цели их совсем не те, о которых думали бы микробы, будь они разумными.
Б. Законы природы строго выводятся из начального единого постулата и просто не могут быть другими. Вся история науки видится как приближение к этому постулату.
В. Существует много вселенных с различными законами, и мы живем в одной из них. Этот подход приобретает все больше сторонников, но является ли он конструктивным?
Вариант А возможен. Не очень ясно, правда, как этот разум не разрушился из-за высоких температур в момент рождения Вселенной. Кроме того, первоначальный размер был чрезвычайно мал, порядка 0,1 см . Тем не менее, с развитием науки появляются дополнительные возможности. В главе, посвященной поиску разума во Вселенной, мы поговорим об этом. Поэтому будем осторожны и предположим, что такая возможность существует. Но в таком случае разработка идеи высшего разума скорее должна принадлежать богословам. Ученый должен исходить из противоположной посылки — об отсутствии сверхразума. Предположим обратное — ученые верили бы, что законы природы были созданы высшими существами. Тогда науки просто не существовало бы. Действительно, с точки зрения такого ученого, например, то, что яблоки падают на землю, — это просто «свойство такое», введенное сверхразумом, и у нас не было бы сейчас теории тяготения. Орбиты планет? — тоже «свойство такое». И никогда люди не увидели бы связи между этими явлениями, не могли бы предсказывать траектории небесных тел. Не было бы вообще никаких теорий, да и науки в целом — сверхразум объясняет все! Итак, вариант А исключить нельзя, но оставим его богословам и философам. Удел ученого — исследовать природу, предполагая, что вариант А неверен. Для него остается выбор между вариантами Б и В.
Вариант Б. Построить теорию, объясняющую устройство мира, — достойная задача. Но даже в такой «окончательной теории» должны быть исходные постулаты. Например, в М-теории , одной из современных теорий, претендующей на многое, предполагается, что пространство на самом деле имеет 10 измерений (в некоторых моделях — 11 и 26). Конечно же, следующие поколения ученых будут пытаться сделать следующий шаг, который бы объяснял, почему именно пространство имеет 10 измерений и из чего состоят объекты такого многомерного мира. «Все опять повторится сначала». Ну что же, быть всегда в пути — не самая плохая участь. Только, выбрав ее, надо понимать, что эта дорога имеет начало, но не имеет конца. Путь, пройденный нами до сих пор, короче того пути, который предстоит пройти, и так будет всегда.
И всегда будет оставаться вопрос — почему изначальные постулаты таковы, что в результате множества метаморфоз становится возможным существование разумной жизни? Насколько серьезен этот вопрос, читатель поймет после ознакомления с этой главой. И тогда на повестку дня выходит
Вариант В. Как бы вы отнеслись к человеку, разрабатывающему теорию, с помощью которой он собирается объяснить конкретное число — массу нашей планеты Земля? Подчеркну: не рассчитать, а вывести из первоначальных постулатов. Наверное, вы бы попытались объяснить ему, что планет много, что масса каждой образуется в результате множества случайностей. Короче, что такой теории не существует, просто есть много вариантов, а человечество реализовалось на одном из них, оказавшемся благоприятным. Но где гарантия, что, например, с массой электрона ситуация не аналогична? Может быть, вселенных много, в каждой из них — своя масса электрона, а мы случайно оказались в одной из них? Конечно, и в этом подходе возникает много вопросов: где эти вселенные расположены, почему у них свойства разные и т. д. Кроме того, если «все возможно», то зачем изучать конкретную вселенную? Не будем ли мы напоминать червячков, живущих в одном из яблок и с увлечением обсуждающих цвет, топологию и размеры своего яблока-вселенной? И невдомек им, что вокруг — яблоневый сад. Тем не менее, появляется все больше доводов в пользу именно варианта В. И, как мы увидим, на вопросы о свойствах нашей Вселенной-яблока также стоит отвечать. Эта глава и посвящена их обсуждению.
Проблема множественности вселенных тесно связана с так называемым антропным принципом.
Антропный принцип
Исторически сложилось так, что имеется целых две версии антропного принципа (АП). Слабый АП — предполагается, что законы природы «такие, какие они есть, и больше никакие», а разумная жизнь возникает там, где для нее есть условия. Например, на данный момент считается, что наша Вселенная возникла 14 млрд лет назад и будет существовать вечно. Почему же мы живем в данную эпоху, относительно близко к моменту ее рождения? Просто потому, что звезд с нужным химическим составом не было десяток миллиардов лет назад и не будет несколько десятков миллиардов лет спустя. Разумная жизнь нашего типа станет невозможна.
Сильный АП предполагает, что сами законы природы и параметры типа гравитационной постоянной, массы электрона и т. д. таковы, что должна возникать разумная жизнь.
Сейчас становится все более очевидным, что оба принципа утверждают практически одно и то же. После открытия инфляционного механизма единственность нашей Вселенной под большим вопросом. По-видимому, существует много, а скорее, бесконечно много вселенных. Если их свойства варьируются в широких пределах, то говорят о Метавселенной (английский термин — multiverse) — ансамбле вселенных. Ну а жизнь возникает в «гостеприимных» вселенных, где законы природы подходят для появления разумных существ.
Надо сказать, что среди ученых наблюдается полный разброс мнений об антропном принципе — от категоричного «это не наука» с подробным перечнем доводов, через равнодушие («мне нет до этого дела, я изучаю конкретный физический процесс в нашей вселенной, а информация о других вселенных все равно недоступна») до восторженных отзывов.
Для начала необходимо определить, что такое «разумная жизнь». Довольно общее определение понятия «жизнь» можно найти у Энгельса: «Жизнь — это способ существования белковых тел». Но здесь надо долго объяснять, что такое «белок». Да и только ли белковая жизнь возможна?
«Вопрос о происхождении жизни и тесно связанная с ним проблема выбора границы между живым и неживым остаются открытыми. Обсуждаются различные причины возникновения органических молекул: подземные возмущения, падение метеоритов на Землю, ультрафиолетовое излучение, гидротермальные среды. Известно также, что сильные электрические разряды являются причиной возникновения аминокислот в атмосфере, содержащей простейшие молекулы» 1 .
Существует множество определений феномена жизни, но для нас более важным является прилагательное «разумная». Интуитивно понятно, что разумом, способностью к анализу, может обладать лишь достаточно сложная структура. Оказывается, что создание условий для появления таких структур — сложнейшая задача. Какими свойствами должна обладать вселенная, чтобы это стало возможным? Обсуждению этих вопросов и посвящена данная глава.
Определение понятия «разум» — не менее сложная задача, чем определение понятия «жизнь». Способность к мышлению? Но что такое «мышление»? Неотъемлемым свойством разумной жизни является ее способность к обмену информацией с внешней средой. Конечно, как и у всякого краткого утверждения, возможны пограничные случаи, с которыми непонятно что делать. Например, человек в коме — разумная структура или нет? Хочется верить, что да, хотя информацией со средой его тело обменивается крайне слабо. А автопилот на самолете — разумный или нет? Дискуссия может длиться бесконечно, но прекратим ее, определив, что структура считается разумной, если она существует благодаря обмену информацией с внешней средой. Это достаточно емкое определение. Например, автопилот в самолете и телефонный автоответчик хотя и обмениваются информацией, но их существование от этого напрямую не зависит.
Для приверженцев антропного принципа очень убедителен был результат, полученный С. Вайнбергом в 1987 г. с использованием сильного антропного принципа. Он рассуждал следующим образом. Предположим, что все параметры нашей Вселенной подогнаны так, чтобы появился разум. Для этого нужны галактики, а чтобы галактики могли образовываться, плотность энергии вакуума не должна превышать некоторого значения. Напомню, что вакуум обозначает всего лишь отсутствие частиц. При этом допускается, что пространство заполнено статичным полем любой природы. Поля встречаются в теории на каждом шагу, и не очень понятно, почему их энергия должна равняться нулю, как это предполагалось раньше. Вайнберг указал интервал, в котором надо искать эту плотность энергии вакуума, и все, в общем, забыли про это. Но в 1998 г. плотность энергии вакуума была обнаружена и определена! Ее значение попало в интервал, предсказанный Вайнбергом. Замечательный результат с точки зрения сторонников антропного принципа. Но не противников, которые могут сказать: «На основе факта, что существуют галактики, получен результат, который подтвердился. Прекрасно, но причем здесь разумная жизнь?» И будут по-своему правы.
Возможно, сторонники и противники антропного подхода придут к консенсусу, если переформулировать саму идею. Действительно, слово «принцип» означает, что он принимается как постулат, из которого выводятся следствия. Сам постулат о том, что «параметры Вселенной удивительно точно „подогнаны“, чтобы возникла разумная жизнь, просто потому, что в других областях вселенной жизнь не зарождается», доказательств не требует, что резонно не удовлетворяет многих. Но давайте оставим только первую часть постулата, что превратит его в наблюдательный факт. «Параметры Вселенной удивительно точно „подогнаны“, чтобы возникла разумная жизнь». Факт неоспоримый и требующий объяснения с научной точки зрения. Одно из возможных объяснений содержится во второй части формулировки антропного принципа — существует множество областей («вселенных») с разными свойствами. Забота теоретиков — найти механизм(ы) возникновения «вселенных» с разными свойствами. И потрудиться над методами проверки своих идей, что представляется крайне сложным.
Одна из формулировок антропного принципа звучит так: Вселенная такова, какой мы ее видим, поскольку в ней существуем мы, то есть наблюдатели, способные задаться вопросом о свойствах Вселенной. При других параметрах во Вселенной невозможны сложные структуры и жизнь в известных нам формах. Кажется все-таки, что эта формулировка слишком сильная. Следуя этому утверждению, например, белые медведи полагали бы, что жизнь возможна только в тех райских уголках Вселенной, где земля сплошь покрыта снегом (и одеяло, и питье), ночь длится полгода (как раз, чтобы медведицам с медвежатами как следует выспаться), а в воде водятся полезные для здоровья тюлени и рыба. А как же иначе? Ведь в противном случае не было их, наблюдателей! Думаю, что ящерица, проживающая где-нибудь в Сахаре, с ними не согласилась бы.
Видимо, следует допускать существование вселенных с другим набором параметров и законов, в которых, тем не менее, существует жизнь, пусть и не похожая на нашу. Жизнь в какой-то мере может приспосабливаться к различным внешним условиям. Интересно, в какой мере? Не может ли оказаться, что разум возникает почти при любых условиях? Неудивительно тогда, что и наша Вселенная обзавелась разумной жизнью. Мы условились под «разумной жизнью» понимать структуры, существующие благодаря обмену информацией. Чтобы определить долю вселенных, где возможны такие структуры, не обязательно создавать их все на практике. Имея хороший компьютер, можно будет в будущем моделировать вселенные с разными свойствами и следить, не возникнут ли там интересные структуры. После сотни-другой попыток станет понятно, какова доля вселенных, заселенных разумом. Мое мнение — доля таких вселенных мизерная, но главное, что она не равна нулю.
Идея о множественности вселенных позволяет естественным образом объяснить удивительно точный подбор параметров, произведенный природой. Поясню это утверждение на примере. Пусть имеется тысяча-другая хаотически разбросанных островов в океанах. Подавляющее большинство из них непригодны для жизни и поэтому безлюдны. Но нескольким островам повезло — они покрыты растительностью и находятся в теплых и спокойных широтах. Поэтому никто не удивится, узнав, что на этих нескольких (из тысяч!) островах живут люди. А теперь встанем на точку зрения туземцев. Они, конечно, ничего не знают о других тысячах островов и, будучи философически настроенными, будут восхищаться устройством своего мира и подмечать его замечательные свойства, позволяющие им безбедно существовать. И поражаться, насколько хорошо свойства мира подобраны для их удобства. В точности, как мы это делаем относительно нашей Вселенной.
Сейчас уже многие ученые, занимающиеся космологией, склоняются к мысли о множественности вселенных. Разрабатываются идеи, объясняющие различие их свойств и предсказывающие вероятность появления вселенных, сходных с нашей. Беда в том, что эти вселенные нам недоступны в принципе. По крайней мере с точки зрения современной науки. Поэтому на снисходительный вопрос о проверке этой идеи ее апологеты ответа, в общем, не имеют.
Любопытная картина вырисовывается, если посмотреть на эту ситуацию с другой стороны. Количество статей, посвященных устройству нашей Вселенной, очень велико, и каждый день появляются новые. Все они отличаются друг от друга, иначе бы их не публиковали. Но правильных, адекватно описывающих нашу Вселенную, — малая доля, если они вообще есть. Просто потому, что в нашей Вселенной реализовано какое-то одно предположение, остальные, соответственно, неверны. Значит, львиная доля статей, описывающих основы мира, не имеет отношения к действительности. Но раз так мала эффективность, надо ли продолжать исследования? Ответ — да, ради тех немногих, правильных. Ведь деревья каждый год распространяют множество семян, и только ради тех единиц, которые прорастут и превратятся в новые деревья. Грустная ситуация для ученых, чьи идеи окажутся невостребованными в нашей Вселенной. Если же Метавселенная существует, то, скорее всего, найдется какая-либо вселенная со свойствами, предполагаемыми автором любой научной гипотезы. Следовательно, для любой научной статьи можно подобрать вселенную, в которой результаты статьи верны.
Посмотрим, так ли уж сложно создать или найти вселенную, в которой есть условия для зарождения разумной жизни. По правде говоря, далее я попытаюсь показать, что подобрать подходящую вселенную не просто сложно, а чрезвычайно сложно. Для определенности будем ориентироваться на разумную жизнь нашего типа, т. е. на существа из молекул и атомов на планетах, которые находятся около звезд для обогрева. Нужно «всего лишь», чтобы существовали эти самые звезды, планеты и атомы. Как мы вскоре увидим, обеспечить условия их существования далеко не просто.
Создаем Вселенную
Рисуя ветку, надо слышать, как свистит ветер.
Тин Нун
Предположим, что нам предоставлена возможность построить свою собственную вселенную, подобно тому, как дети строят целые города из конструкторов типа «Лего». Воспользовавшись тем, что в нашем распоряжении неограниченные ресурсы, сконструируем не какой-нибудь скучный мир, а вселенную, населенную живыми существами. К сожалению, имеется одно ограничение: заказывать необходимые ингредиенты на «складе» можно только до начала работы. Вмешиваться и изменять правила игры по ходу действия нельзя, и если что не так, придется начинать все сначала. Поэтому нам надо внимательно продумать последствия нашего выбора, чтобы достичь цели — построить Вселенную с разумной жизнью.
Для начала необходимо затребовать подходящее пространство. Не обойтись также и без теории относительности и квантовой теории. Значит, понадобятся такие фундаментальные константы, как скорость света «c» и постоянная Планка «ћ». Мы вправе выбирать их значения по своему усмотрению, но давайте благоразумно оставим их такими, как в нашей Вселенной.
Из главы 1 мы знаем, что стандартная модель элементарных частиц содержит примерно 20 параметров. Стандартная космологическая модель также содержит порядка 15 параметров. Старания теоретиков направлены, в частности, на создание теории, в которой эти параметры определялись бы «естественным образом» из единой теории. Но сейчас такой теории нет, и мы спокойно можем подбирать значения параметров по своему усмотрению. Надо сразу предупредить читателя, что выбирать придется с осторожностью. Например, как мы увидим в дальнейшем, если массу нейтрона выбрать всего лишь на 1% меньше, то ядра, а значит, и атомы станут нестабильными, а вселенная — унылой, без звезд и планет.
Какую же выбрать размерность пространства? Уже давно известно, что подходит только трехмерное пространство. Если число измерений больше трех, то не удается удержать планеты около звезд — не будет стационарных орбит. Если пространство имеет всего два измерения, то трудно обеспечить жизнеспособность сложной структуры.
Кроме того, пространство должно быть достаточно большим, чтобы вместить много планет и звезд. Но, как мы знаем из главы 2, большое пространство возникает, только если в самом начале происходила инфляция — сверхбыстрое расширение. Для осуществления инфляции и для создания в дальнейшем звезд и планет нам потребуется гравитационное поле, которое характеризуется ньютоновской постоянной G. Инфляционный период может быть обеспечен благодаря динамике поля нового сорта, названного инфлатонным. Но при одном условии: масса частиц — квантов этого поля — должна быть очень маленькой. Но маленькой по сравнению с чем?
Отступление. О разумных значениях физических величин
Каждая теория обычно начинается с постулатов, которые не доказываются по определению. Как правило, прежде всего выбираются динамические переменные — поля, вид их кинетической и потенциальной энергии и форма взаимодействия с другими полями. Все это содержит неизвестные параметры, численные значения которых определяются экспериментально. Например, заряд электрона выступает как мера взаимодействия электронов и фотонов. Если какой-то параметр оказывается очень маленьким, то это считается странным и требующим объяснения. Чтобы почувствовать проблему, приведу пример. Представьте себе, что вы дали задание группе детей сделать из пластилина чашку. Когда вы возвращаетесь через 20 минут, то на столе видите чашки самых разных размеров, отражающих индивидуальность их создателей. Приглядевшись, вы замечаете аккуратно сделанную чашечку размером 1 миллиметр. Согласитесь — это привлечет ваше внимание, и вы начнете думать о способе и причинах ее изготовления. То же самое происходит и в науке: когда некий экспериментально определенный параметр оказывается аномально малым или большим по сравнению с остальными параметрами, это привлекает внимание ученых и заставляет задуматься о причинах.
Выберем в качестве основных параметров, определяющих ход физических процессов, следующие:
— массы электрона, протона и нейтрона — me, mp и mn соответственно;
— заряд электрона e или, в безразмерном виде, α = e 2 /(ћc) \( \simeq \) 1/137
— константа сильного взаимодействия αs
— константа гравитационного взаимодействия G или, в безразмерном виде,
Возможен, конечно, и другой выбор основных величин, в зависимости от предпочтений, но для наших целей это не так уж и важно.
Оказывается, что масса квантов инфлатонного поля должна быть примерно в миллион раз меньше планковской массы! Откуда берется такая малая величина, не совсем понятно, и космологи этим сильно заинтригованы.
Но вернемся к созданию вселенной. Нам понадобятся частицы — основной строительный материал нашего конструктора. Это прежде всего протоны и электроны, которые уже позволяют создать простейший из атомов — водород. При условии, конечно, что между протоном и электроном есть сильное притяжение. За него отвечает электромагнитное взаимодействие, которое надо задать изначально, определив также и его величину.
Первый шаг сделан, атомы водорода стабильны, но вселенная, заполненная атомами одного сорта, — скучное зрелище. Нужны более массивные ядра, например углерода, из которого могут быть сделаны живые существа. Но вот беда — введя притяжение между разноименно заряженными частицами, практически невозможно избежать отталкивания между одноименными. Поэтому ядра, сделанные из одних протонов, мгновенно распадаются из-за сильного электрического отталкивания протонов как частиц с одинаковым зарядом.
Возможности электромагнитного взаимодействия исчерпаны, и нам приходится вводить новое, сильное взаимодействие. Но делать это надо аккуратно. Ведь если притяжение протонов, благодаря сильному взаимодействию, преодолевает их электрическое отталкивание (для чего, собственно, сильное взаимодействие мы и ввели), то будут образовываться гигантские ядра. Слишком большие ядра — тоже плохо: слишком высока плотность вещества, сделанного из них.
Похоже, мы опять вернулись на круги своя, только вместо отдельных частиц имеем отдельные очень плотные комплексы частиц — ядра. Такие объекты действительно существуют — это нейтронные звезды, но их плотность равна примерно 10 14 г/см 3 . Жизнь на них была бы тяжела во всех смыслах. Например, обручальное кольцо, сделанное из такого вещества, весило бы 10 7 тонн. Нам же хочется иметь разнообразные структуры, состоящие из молекул, т. е. большого числа комплексов.
Природа нашла выход из создавшегося положения, и мы последуем ее рецепту: сильное взаимодействие должно быть короткодействующим! Тогда с увеличением расстояния электрическое отталкивание начинает доминировать, и массивные ядра оказываются неустойчивыми. Ситуация существенно улучшилась, но ядра, хоть и медленно, но все-таки распадаются. Как только один из протонов ядра за счет квантовых флуктуаций удалится от остальных, сильное взаимодействие уже не в состоянии противодействовать электрическому отталкиванию, и протон улетает, ядро распадается. Видно, что цель близка: надо совсем немного, чтобы ядра были и стабильными, и достаточно тяжелыми, но не слишком. Последний штрих — вводим нейтроны, заряда не имеющие, но участвующие в сильном взаимодействии. Поместив их в ядро, удается несколько увеличить силу притяжения, не увеличивая кулоновских сил отталкивания.
Теперь ядра состоят из протонов и нейтронов и стабильны вплоть до ядер железа. Для ядер тяжелее железа увеличение числа нуклонов приводит к уменьшению энергии связи и затем к нестабильным ядрам типа урана.
Ну что же, успех налицо. Различные положительно заряженные ядра в наличии. Отрицательно заряженные электроны создают облака вокруг ядер, образуя различные атомы. Но это только начало пути. Ведь раньше, в эру преобладания излучения, протоны, электроны и нейтроны жили самостоятельной жизнью.
Увы, нейтрон тяжелее протона и электрона вместе взятых, что позволяет ему распадаться на протон, электрон и антинейтрино (которое здесь можно считать безмассовым). Получается, все нейтроны, рожденные, когда Вселенная была горячей, должны распасться в дальнейшем. Но нейтроны нужны для образования ядер гелия еще до появления первых звезд! Нам надо иметь в виду, что ядерные реакции в будущих звездах чувствительны к начальному составу вещества, и если гелий отсутствует с самого начала, то темп процессов в звездах может измениться, в результате чего углерода, кислорода и других тяжелых элементов окажется слишком мало. Кроме того, ядра гелия состоят из четырех нуклонов (2 протона и 2 нейтрона), и вероятность столкновения одновременно четырех частиц очень мала. Как же создать достаточное количество гелия?
Рис. 5.1. Образование гелия в ходе первичного нуклеосинтеза
Природа нашла остроумный выход из этого тупика. При столкновении протон и нейтрон объединяются в одно целое — ядро дейтерия согласно реакции:
Внутри дейтерия нейтрон может существовать сколь угодно долго. Остроумное решение, но, к сожалению, как раз когда Вселенная была горячей, фотонов было много, и они были достаточно энергичны, чтобы эффективно разрушать ядра дейтерия, освобождая при этом нейтроны:
Мы вернулись к тому, с чего начали. Но хорошие идеи не пропадают втуне. Уже видно, что мы с самого начала взялись за слишком сложную, почти непосильную задачу. К счастью, Природа уже проделала этот труд, и мы можем руководствоваться ее идеями. Следуя рецепту, предложенному Природой, сделаем нейтрон долгоживущим — нескольких минут будет достаточно, чтобы решить проблему. Реальные параметры слабого взаимодействия, приводящего к распаду нейтрона, таковы, что его время жизни составляет 15 минут. Это очень много для распадающихся частиц. Например, время жизни мюона всего 2 · 10 −6 секунды , остальные нестабильные частицы распадаются еще быстрее. За 15 минут температура Вселенной успевает сильно уменьшиться, средняя энергия фотонов падает и становится недостаточной для разрушения ядер дейтерия.
Кто-то может предложить совсем убрать слабое взаимодействие, сделав нейтрон стабильным, но не будем торопиться — оно будет очень нужно в дальнейшем, и мы, вслед за Природой, предусмотрительно учтем это.
Как мы уже знаем, в результате первичного нуклеосинтеза появляется стабильный гелий. Ядерные реакции могли бы и дальше постепенно увеличивать массы ядер, но их «утяжеление» со временем прекращается по нескольким причинам. Во-первых, в результате расширения пространства расстояние между частицами возрастает, и вероятность их столкновения уменьшается. Во-вторых, в результате все того же расширения энергия частиц уменьшается, и ее уже не хватает, чтобы преодолеть потенциальный барьер ядер, даже если они столкнутся. В-третьих, ядра с пятью нуклонами оказываются совершенно нестабильными, что является серьезным, почти непреодолимым препятствием для ядерных реакций в ранней Вселенной.
Этот недостаток придется компенсировать в дальнейшем, в наших с вами интересах. Впрочем, недостаток ли это? Ведь в противном случае первичный нуклеосинтез не остановился бы на гелии. Конечным продуктом последующих ядерных реакций были бы ядра самого устойчивого элемента — железа. Хорошо это или плохо, но железные живые существа бывают только в стране Оз в форме Дровосеков.
Видно, что по многим причинам эффект быстрого расширения пространства совершенно необходим. Но слишком увеличивать скорость расширения нельзя. Точнее, нам надо обеспечить не очень быстрое расширение Вселенной, чтобы успели образоваться галактики, но и не очень медленное, чтобы не допустить слишком высокой средней плотности — тогда останутся одни черные дыры. Последние, как известно, мало приспособлены для жизни. Темп расширения вещества зависит от величины гравитационной постоянной G, плотности материи, излучения и плотности темной энергии и температуры. Все это должно быть очень деликатно подогнано. Например, сейчас плотность темной энергии превышает плотность материи, а на ранних стадиях ситуация была обратной. Плотность материи была настолько высока, что темная энергия была совершенно незаметна. В противном случае галактики просто не образовались бы.
Для производства живых существ необходимо, как минимум, сырье. Основным нашим строительным материалом является углерод, но, как мы помним из главы 2, в результате первичного нуклеосинтеза образуются ядра не тяжелее гелия. Все возможности исчерпаны, а мы опять стоим перед, казалось бы, неразрешимой проблемой: с одной стороны, Вселенная должна охлаждаться, чтобы появились планеты с живыми организмами, а с другой стороны, понижение температуры «замораживает» ядерные реакции, и тяжелые элементы не образуются. Да и какая жизнь при температуре, близкой к нулю?
Посмотрим, как с этой проблемой справилась Природа. А она нашла элегантный выход. Оставив пространству возможность расширяться и охлаждаться, Природа предусмотрела локальные нагреватели — звезды! Звезды нагревают небольшую область пространства и выполняют сразу две важнейшие функции: все ядра, более сложные, чем гелий, образуются в результате реакций внутри звезд (ядра тяжелее железа образуются при взрывах сверхновых), и эти же ядерные реакции служат «печкой» для будущих живых существ на планетах. Вообще-то организовать равномерное горение ядерного топлива в течение десятка миллиардов лет — непростая задача, но обсудим ее позже, поскольку есть проблема поважнее. Кстати, медленное горение звезд — одна из важнейших причин, по которой необходимо слабое взаимодействие. Именно благодаря ему звезда экономно расходует запас топлива в течение миллиардов лет, а не взрывается, как атомная бомба.
Казалось бы, можно и отдохнуть от трудов праведных, но новая неприятность не дает нам такой возможности. Если тяжелые ядра рождаются только внутри звезд, то там они и останутся после того, как горючее в ядерной печке звезды будет исчерпано! Внутри звезд, пусть и остывающих, трудно создать условия для появления разумных существ. Природа решила и эту проблему, а мы последуем ее рецепту. Для этого придется вернуться к самому началу и подобрать параметры частиц и взаимодействий так, чтобы звезды в конце своего существования не просто остывали, а взрывались.
Вот здесь-то и пригодится слабое взаимодействие! Нейтрино сталкивается с другими частицами только благодаря слабому взаимодействию. Столкновения происходят крайне редко, поэтому нейтрино способны унести основную энергию от центральной части звезды, позволяя ее внутренним слоям резко сжиматься, коллапсировать. В то же время величина слабого взаимодействия не должна быть слишком маленькой. В противном случае число нейтрино, рождающихся в звезде, было бы слишком малым, и внешние слои взрывающейся звезды не получили бы от нейтрино достаточной энергии, чтобы разлететься в космическом пространстве.
Итак, подобрав параметры слабого взаимодействия, удается обеспечить вылет в окружающий космос образовавшихся в звездах углерода и других тяжелых элементов. Но если звезды исчезнут, то что будет обогревать разумных существ? Поэтому надо создать условия для образования новых звезд в дальнейшем. Природа пошла именно по этому пути — первые звезды состояли из протонов и альфа-частиц (ядер атомов водорода и гелия), а звезды следующих поколений уже обогащены тяжелыми элементами. Эффективное образование звезд происходит при столкновении галактик. Галактики же и звезды появляются там, где изначально, благодаря инфляционному периоду, возникли флуктуации плотности энергии. Оказывается, что эти флуктуации также не могут быть произвольно маленькими или большими. Действительно, флуктуации плотности в ранней Вселенной обусловлены квантовыми флуктуациями в инфляционный период. Поэтому их первоначальный размер чрезвычайно мал, порядка 10 −27 см. Но те же самые процессы, заставляющие всю вселенную расширяться, заставляют расширяться и пространственные области, занятые флуктуациями. Ведь и сама Вселенная образовалась из пространственной области такого же размера, просто она начала расширяться раньше, а поэтому и преуспела в этом больше.
Наблюдения говорят, что амплитуда флуктуаций очень мала — контраст плотности Q = σρ/ρ составляет примерно 10 −5 . Это накладывает сильные ограничения на параметры инфляционной теории. В частности, форма потенциала, ответственного за этот период, должна быть чрезвычайно пологой, настолько, что это считается серьезным недостатком теории. Если бы форма потенциала была более «естественной», флуктуации были бы больше, и нас с вами не существовало бы. Почему Природа выбрала совершенно неестественный потенциал — ее загадка. Ради нас?
А зачем, собственно, нам нужна такая малая величина параметра Q? И могла ли она быть еще меньше?
Этим вопросом задался астрофизик Мартин Рис (Martin J. Rees), и вот что он выяснил. Оказывается, при контрасте плотности Q
10 −6 , т. е. всего на порядок меньше, скопления галактик не образовались бы к настоящему времени, а сами галактики были бы маленькими и анемичными, да и формировались бы они гораздо позже. Будучи слабо связанными, такие галактики не смогут удержать разлетающийся газ после взрывов сверхновых, и следующих поколений звезд просто не будет. Например, нашего Солнца не существовало бы. И, конечно, никаких планет!
А какой была бы Вселенная при больших значениях флуктуаций? При Q = 10 −4 плотность на порядок выше, и мы бы имели более массивные галактики и скопления галактик. Более массивными были бы и звезды, а значит, их среднее время жизни было бы значительно меньше, а сами они — горячее. Еще большая плотность, Q = 10 −3 , привела бы к серьезным неприятностям — слишком плотные галактики коллапсировали бы в гигантские черные дыры.
Теперь понятно, что плотность некоторых областей с частицами должна и может быть лишь немного увеличена, после чего они сами начнут сжиматься под действием гравитационных сил. И здесь мы в очередной раз неожиданно сталкиваемся с проблемой. Чтобы конденсация вещества произошла быстро (ведь нам надо успеть образовать звезды, дать им возможность наработать тяжелые элементы, на что нужно несколько миллиардов лет, и создать хотя бы еще одно поколение звезд и планет вокруг них, насыщенных углеродом, кислородом и т. д.), необходимо увеличить концентрацию частиц. Но! Оказалось, что требуемая плотность приведет к слишком массивным звездам, что плохо — см. выше. Разрешая этот конфликт, природа пошла по пути наименьшего сопротивления. Обычные частицы — протоны и электроны — могут эффективно уменьшать свою кинетическую энергию, излучая фотоны. Именно поэтому они собираются во все более плотный объект, пока не зажигаются ядерные реакции. Не мудрствуя лукаво, Природа ввела новый сорт материи, который с фотонами не взаимодействует, а значит, не уменьшает свою кинетическую энергию и не собирается в малых областях. Это уже известная нам темная материя. Ее флуктуации плотности могут быть большими, и именно области повышенной концентрации темной материи своей гравитацией притягивают барионы.
Похоже, Природа не создавала ничего лишнего. В нашей Вселенной любое свойство, любое явление строго необходимо и достаточно для зарождения разума. Объяснение этого факта является важнейшей задачей. Но вернемся к звездам.
Звезды являются ключевым звеном при построении Вселенной. Это сложнейший объект, в котором учтено множество нюансов. Например, то, что разумным существам, которые появятся через миллиарды лет после рождения первых звезд, кроме углерода, понадобится кислород для дыхания. Он также образуется в звездах в результате ядерных реакций. Ясно, что скорость реакций, а значит, и обилие углерода и кислорода зависят от величины не только слабого, но и сильного взаимодействия, обеспечивающих эти реакции. Когда мы в самом начале «заказывали» свойства сильного взаимодействия, то были зажаты в очень узкие рамки — изменение его величины более чем на полпроцента приведет к серьезному недостатку углерода либо кислорода в первых звездах.
Оказывается, что процессы и ядерные реакции в звездах чрезвычайно чувствительны ко всем параметрам, а не только к величине сильного взаимодействия. Так, например, Брэндон Картер (Brandon Carter) обнаружил, что существование звезд возможно только при выполнении соотношения
причем константа С не должна сильно отличаться от единицы. Здесь α = 1/137 — величина, однозначно связанная с зарядом электрона и называемая постоянной тонкой структуры (см. в начале главы Отступление. О разумных значениях физических величин), β — отношение массы электрона и протона. Природа, создавая Вселенную, предвидела эту возможность и позаботилась о нас. На практике константа С = 2,944 , что ограничивает нас в выборе масс протона, электрона и постоянной тонкой структуры.
Итак, звезды должны производить из водорода и гелия все химические элементы — 92 сорта ядер! — после чего взорваться, поставляя их в окружающее пространство. Затем новое поколение звезд должно успеть появиться, дабы согревать своим теплом зарождающуюся жизнь.
Надеюсь, читатель уже получил представление о том, насколько сложно подобрать основные физические параметры так, чтобы в результате эволюции возникла вселенная с разумной жизнью внутри и насколько грандиозная по своей сложности задача стояла перед Природой. На самом деле были рассмотрены лишь некоторые трудности конструирования Вселенной. В действительности ситуация гораздо более сложная.
Для иллюстрации приведем один пример. В звездах углерод образуется в две ступени. Сначала сливаются две альфа-частицы, образуя нестабильный изотоп бериллий-8 . Затем к нему добавляется еще одна, третья альфа-частица, и появляется ядро углерода. Но увы — бериллий-8 быстро распадается и может не дождаться третьей альфа-частицы. Значит, надо сделать так, чтобы альфа-частица прореагировала с бериллием раньше, чем тот распадется. Как этого добиться?
Чтобы понять трюк Природы, вспомним, что ядра атомов, будучи квантовыми системами, не могут иметь произвольную энергию в возбужденном состоянии, но имеют строго определенный набор уровней энергии, свой для каждого вида ядра. В нашем случае один из энергетических уровней ядра углерода таков, что вероятность реакции резко повышается и это позволяет в конечном итоге углероду эффективно образовываться. Этот энергетический уровень, равный 7,65 МэВ , замечателен тем, что энергия возбужденного состояния ядра углерода всего на 0,3 МэВ выше суммарной массы альфа-частицы и ядра бериллия-8 . Эти 0,3 МэВ компенсируются кинетической энергией сталкивающихся частиц, резонансно увеличивая эффективность реакции, что было теоретически предсказано Фредом Хойлом в 1953 г. Эксперимент подтвердил его предсказание.
Здесь трудно удержаться от цитаты: «Когда смотришь на диаграмму энергетических уровней ядра 12 С и видишь первые три уровня — 4,43 МэВ , 7,65 МэВ и 9,64 МэВ , то душу охватывает чувство глубокой благодарности к уровню 7,65 МэВ за то, что он не спустился на 0,5 МэВ ниже. Какой малый запас прочности у всего, что нам так дорого!» 2 .
Конструируя Вселенную, нам с самого начала надо было предусмотреть такие параметры сильного и электромагнитного взаимодействий, чтобы в будущем ядре углерода существовал энергетический уровень, близкий к 7,65 МэВ . Когда наша Вселенная только зарождалась, Природа уже должна была «знать» об этом.
Все те остроумные трюки, которые использовала Природа, чтобы обеспечить условия для возникновения разумной жизни, впечатляют и, тем не менее, меркнут перед обнаруженным несколько лет назад феноменом. Когда было установлено, что энергия вакуума, т. е. состояния, в котором отсутствуют частицы, не равна нулю, возникла любопытная проблема. Дело в том, что плотность энергии вакуума не намного больше плотности энергии темной материи и частиц. (Кстати, тоже не очень понятное совпадение.) Но это — сейчас, а что было раньше? Ведь плотность темной материи и частиц уменьшилась примерно в 10 123 раз с момента окончания инфляции и Большого взрыва. Изменение со временем плотности энергии вакуума зависит от происхождения этой энергии. В самом простом и естественном случае она не меняется со временем. Это значит, что в момент Большого взрыва плотность энергии вакуума была на 123 порядка меньше, чем плотность вещества!
Как уже говорилось выше, естественным энергетическим масштабом является планковский, 10 19 ГэВ, или
10 −5 граммов. Массу инфлатона, поля, ответственного за сверхбыстрое расширение в самом начале, приходится делать в миллион раз меньше, иначе флуктуации плотности вещества во вселенной окажутся слишком большими. Масса частиц — еще меньше. Например, масса протона примерно 1 ГэВ, а это на 19 порядков меньше планковской. Природе пришлось очень постараться, чтобы произвести столь мелкие кирпичики мироздания.
Но это еще ничто по сравнению с теми усилиями, которые пришлось приложить Природе, чтобы сделать современную плотность темной энергии такой, какая она есть, — на 123 порядка меньше планковской плотности! До сих пор не ясно, какой механизм использован для достижения этой цели. Да и существует ли такой механизм? Может быть, это некий побочный эффект?
Поскольку мы создаем свою вселенную, то надо озаботиться вопросом: если уж без энергии вакуума не обойтись, то можно ли ее делать не такой маленькой? Оказывается, если нашей целью является создание условий для разумной жизни, то нельзя! Точнее, увеличить эту энергию можно всего в несколько раз — иначе ни галактики, ни звезды не появятся.
То, что плотность темной энергии по порядку величины совпадает с плотностью обычного вещества, включая и темную материю, приводит к любопытному следствию. Расчеты показывают, что если плотность темной энергии постоянна, то размер видимой части Вселенной достиг своего максимального значения. Просто потому, что плотность энергии обычной материи уменьшается с расширением пространства, в отличие от плотности темной энергии. Пространство становится все больше похожим на пространство де Ситтера, свойства которого обсуждались в главе 2. Один из выводов, сделанных там, состоит в том, что свет, испущенный сейчас с Земли, никогда не достигнет горизонта, расположенного сейчас на расстоянии примерно 10 28 см. Но галактики, находящиеся от нас на солидном расстоянии, смогут пересечь эту невидимую границу, и мы навсегда потеряем их из виду.
Сейчас мы живем в эпоху наибольшего количества видимых звезд. В будущем число звезд будет только уменьшаться, и через 10–20 млрд лет в нашем распоряжении останутся лишь несколько галактик с сотней-другой миллиардов звезд.
Насколько же сильно можно менять различные параметры нашей Вселенной, не нарушая условий, при которых возможно возникновение жизни? Впечатляющие графики были получены М. Тегмарком. На рис. 5.2 изображена область изменения двух параметров — констант сильного и электромагнитного взаимодействий. Самым важным здесь является маленький черный квадратик в нижнем левом углу — область параметров, при которых образуются вселенные, похожие на нашу. Как кстати, что эти значения, равные в нашей вселенной 0,1 и 1/137 соответственно , находятся именно внутри этого черного квадратика!
Рис. 5.2. Ограничения на константу сильного взаимодействия и постоянную тонкой структуры
На рис. 5.3 изображена аналогичная ситуация, но вместо константы сильного взаимодействия рассмотрено отношение массы электрона к массе протона. Связь, обнаруженная Картером (см. обсуждение в этой главе), отмечена пунктирной линией. И опять область, отмеченная черным квадратиком (где возможна жизнь), мала, но, тем не менее, Природа позаботилась о том, чтобы наблюдаемые параметры попадали в этот квадрат.
Рис. 5.3. Ограничения на соотношения масс электрона и протона и постоянную тонкой структуры
Звезды созданы, что дальше?
Но вот, наконец, мы после многочисленных попыток создали подходящую вселенную, звезды и планеты. Может ли теперь в такой Вселенной зародиться жизнь? Увы, если мы все-таки хотим создать условия, благоприятные для живых существ, то до завершения еще далеко.
Начнем с того, что надо создать среду, удобную для развития и усложнения молекул. То есть в этой субстанции первые объекты (протосущества) должны иметь возможность перемещаться и быстро находить объекты для слияния / поглощения. Этим условиям удовлетворяют жидкости. Значит, на планете должно быть много жидкости, и вода — хороший кандидат. Правда, интервал температур, при которых она находится в жидкой фазе, невелик — от 273 до 373 K. Придется поместить орбиту планеты так, чтобы ее средняя температура попадала в этот интервал. И, кстати, сделать ее почти круговой, иначе зимы будут долгими и холодными и все живое повымерзнет. (Земля как раз имеет почти круговую орбиту, а смена времен года происходит благодаря наклону земной оси.) А те, кто выживет зимой, вряд ли перенесут слишком горячее лето. Изменение радиуса орбиты Земли на несколько процентов также фатально для живых существ.
Итак, планета, на которой возможно существование разумной жизни, должна удовлетворять множеству условий. Проблема, тем не менее, вполне решаема. В нашей Вселенной уже имеется порядка 10 22 звезд, а значит, и число планет — того же порядка. Последние находятся на самых разных расстояниях от своих звезд, в зависимости от случайностей в момент их образования. Часть из них имеет подходящие орбиты.
Мы уже решили, что наши протосущества будут зарождаться в воде. Но вот проблема: зимой часть воды переходит в твердую фазу — лед, а твердая фаза обычно имеет большую плотность, чем жидкая. В этом случае твердая фаза опускалась бы на дно водоемов, и к концу зимы все водоемы находились бы в твердой фазе. Известны формы жизни, способные перезимовать, будучи полностью замороженными. К таковым относятся, например, лягушки. Но это не очень привлекательный вариант.
Чтобы найти выход из положения, посмотрим, как с этим справилась Природа, — а она сделала лед легче воды! Это было непросто, и вода — одно из очень немногих веществ, твердая фаза которых легче жидкой. Далеко не при всяких соотношениях зарядов и масс частиц, входящих в состав воды, это возможно, и подобное развитие событий должно было быть предусмотрено с самого начала, когда мы подбирали свойства частиц. Заодно надо обеспечить прозрачность воды, т. е. возможность проникновения света вглубь, метров на пятьдесят, без чего фотосинтез невозможен. Кстати, нужно, чтобы вода была не только прозрачна для света, т. е. для электромагнитных волн оптического диапазона, но и не пропускала ультрафиолетовое излучение, смертельно опасное для живых организмов.
Вернемся ненадолго к проблеме промерзания водоемов. Так ли уж все плохо? Ведь есть экваториальная зона, где круглый год тепло. Но где гарантия, что промерзание водоемов, начавшееся с севера, не дойдет до экватора? Компьютерное моделирование процесса такого глобального оледенения чрезвычайно сложно. Мы же, на основе антропного принципа, попробуем предсказать результат. Как мы теперь понимаем, создать вещество с более легкой твердой фазой очень непросто, иначе таких веществ было бы много. Значит, это нужно для существования разумной жизни (вот он, антропный принцип). Но при глобальном оледенении разумная жизнь вряд ли возможна. Значит, свойства воды таковы, чтобы не было всеобщего промерзания Земли. Следовательно, если бы лед опускался на дно, глобальное оледенение обязательно произошло бы. Это типичное рассуждение с использованием антропного принципа, и можно понять многих ученых, которые отказываются считать такие рассуждения наукой. Пусть так, но фактом является то, что антропный принцип часто дает удивительно правильные предсказания. Вспомните ненулевую энергию вакуума и энергетический уровень ядра углерода, предсказанные именно из этих соображений. Наука должна объяснить этот феномен.
Теперь, когда читатель понял, насколько грандиозна задача создания вселенной, похожей на нашу, стоит вернуться к вопросу, поставленному в начале этой главы. Действительно, трудности были связаны с тем, что параметры, определяющие эволюцию вселенной, можно варьировать в крайне ограниченных пределах. При этом, изначально задавая, например, массы частиц и параметры взаимодействия, надо учитывать множество деликатных проблем, которые могут возникнуть в будущем. Мы уже видели, что синтез барионов и ядер очень чувствителен к величинам параметров, то же самое относится и к процессам, протекающим внутри звезд. Существуют, и постоянно появляются новые, свидетельства о тонкой настройке параметров нашей Вселенной. Каким же образом была проведена такая точная «юстировка»? Как можно было так точно предусмотреть заранее сотни причинных связей, выбрать частицы и задать их свойства? Теперь, получив дополнительную информацию, читатель может выбрать из предложенных в начале главы вариантов тот, который ему больше нравится, или предложить свой собственный.
С точки зрения автора, наиболее простым способом создания Вселенной с комфортными для разума условиями представляется следующий: не заботиться о конкретных деталях, а «просто» создать множество вселенных со всевозможными значениями сортов частиц, их масс, темной энергии и остальными физическими параметрами — какая-нибудь вселенная да подойдет.
Рассмотрим аналогию. Предположим, вам, как командиру полка, требуется во что бы то ни стало поразить очень маленькую мишень. Она слишком мала даже для снайпера, да и ночь на дворе. Выход из положения есть — надо приказать, чтобы весь полк начал стрелять в цель, каждый из своего оружия. Кто-нибудь когда-нибудь да попадет! Конечно, множество пуль пропадет напрасно, но цель будет достигнута. Кому-то такое решение проблемы может показаться некрасивым, малоэстетичным и скучным. Ну что ж, о вкусах не спорят. Единственным аргументом в его пользу служит только то, что оно работает! А возможно, и только оно.
Может быть, и Природе проще создавать вселенные с самыми разными свойствами, не заботясь о деталях. Тогда среди них обязательно найдутся подходящие для возникновения живых существ. Конечно, многие вселенные при этом будут «нежизнеспособными», ну и пусть их. Природа не заботится о проигравших и не сожалеет о напрасных трудах своих. Из тысяч икринок лишь несколько превращаются в полноценных рыб, судьба остальных волнует только охотников за икрой.
Воображаемый спор между сторонником множественности вселенных и приверженцем Единой Теории
Представим себе конференцию по космологии, в кулуарах которой встретились двое ученых. (Если собирается больше двух ученых, то развитие дискуссии носит непредсказуемый характер.) Они с уважением относятся друг к другу, но придерживаются разных взглядов по интересующему нас вопросу. Один из них — сторонник множественности вселенных (М), другой — Единой теории (Е). Между ними завязывается словесная дуэль, которая могла бы выглядеть примерно так:
Е: Все развитие науки направлено на объединение постулатов, конечной целью объединения и должна быть Единая теория. Успехи налицо (например, стандартная модель). Вы же хотите полностью отказаться от этого?
М: А почему вы считаете, что подобный путь будет успешным всегда? Возможно, что стремление объяснить из исходных постулатов, например, массу электрона окажется аналогичным стремлению объяснить массу планеты Земля. Да и стандартная модель была создана десятки лет назад. С тех пор продвижения нет.
Е: Ну, разработка инфляционной идеи — тоже существенный прогресс. По крайней мере, мы движемся в позитивном направлении: объединяя теории и проверяя выводы экспериментально. А как вы можете проверить теорию множественности миров? Если, как вы сами признаете, попасть в иную вселенную невозможно, то никаких доказательств правоты не существует. А значит, это не лучше, чем создавать теорию массы Земли.
М: Надо признать, что это действительно кажется слабым местом идеи о множественности вселенных. Правда, в таком случае и, например, теория фотоэффекта также не имеет права на существование — ведь вы не можете попасть внутрь твердого тела и убедиться, что фотон действительно поглощается электроном. В обоих случаях приходится принимать опосредованные данные.
С другой стороны, ваш путь построения единой теории никогда не приведет к конечному результату. Следующим вопросом будет, почему ваша «Теория Всего» содержит именно такие параметры, а не другие. Например, если М-теория объяснит все существующие явления, то следующим вопросом будет: почему дополнительных измерений 11(10)?
Е: А кто сказал, что процесс познания конечен? Асимптотическое приближение к Единой теории — тоже не самый плохой вариант. По крайней мере по сравнению с тем, что предлагаете вы. Если все теории возможны, то зачем изучать что-либо?
М: Не совсем так. Ведь существование множества звезд не мешает детальному исследованию нашего Солнца. Много чего еще предстоит понять и в нашей собственной Вселенной. Кроме того, интересно понять механизм продуцирования разных вселенных, а также способы проверки этой идеи, о чем вы сами упоминали ранее. Ну а асимптотическое стремление к Единой теории — действительно достойное занятие.
Только в этом направлении не видно путей ответа на экспериментальный факт: тончайший подбор параметров Единой теории как будто специально для того, чтобы возник разум.
Е: Единая теория должна будет ответить и на этот вопрос, который в рамках множественности вселенных выглядит тривиальным.
И все-таки, напоследок: где же расположены все эти вселенные?
М: Это действительно сложный, почти философский вопрос. Ответить на него мы сможем, когда поймем, где расположена наша Вселенная.
Тут их диалог был прерван сообщением о продолжении работы конференции, и наши ученые пошли пить кофе.
О красоте теорий
Ученые полагают, и не без оснований, что лишь красивая теория может быть правильной. Но что такое красивая теория? Конечно, каждый считает свою теорию красивой, но на этом согласие и заканчивается. Известен поучительный пример из XVII века. Кеплеру и Галилею очень не нравились эллиптические орбиты планет. То ли дело такая идеальная фигура, как окружность! Но когда Ньютон открыл свой закон тяготения, ситуация резко изменилась. Одна формула описывает все многообразие орбит, да еще и движение тел в поле тяжести Земли! Это ли не красиво? «Неэлегантные» эллиптические орбиты оказались частью замечательно красивой теории.
Очевидно, понятие красоты научной теории несколько расплывчато, но любопытным фактом является то, что верные теории оказываются красивыми. Это несколько странно, потому что законы природы возникли задолго до появления человека и тем более до формирования самого понятия красоты с человеческой точки зрения. Можно было бы предположить, что, работая долгое время с правильной теорией, люди к ней привыкают, и она кажется им красивой. Но многие теории с самого начала представлялись красивыми — ОТО, модель Вайнберга — Салама, идея суперсимметрии (последняя до сих пор не подтверждена). Значит, есть что-то неуловимое, что отличает теории друг от друга вне зависимости от того, верные они или нет.
По-видимому, в качестве критерия красоты служит степень экономности средств, которыми достигается цель, — объяснение некоторого круга явлений и предсказание новых. И круг этот не должен быть маленьким. Можно даже попробовать выразить это в виде простой формулы.
Здесь R — коэффициент качества теории: чем он выше, тем красивее теория кажется нам; N — число объясненных природных явлений, P — количество информации (в битах), использованной для начальных постулатов теории. Величину N трудно определить однозначно, но в данном случае это и не очень важно.
Теперь вопрос можно сформулировать по-другому: почему теории с большим значением R оказываются верными? Правильно поставленный вопрос облегчает поиск ответа на него. Если принять идею множественности вселенных, проблема красоты теорий может быть сведена к следующему вопросу: почему доля вселенных с большим коэффициентом R велика по сравнению с долей других вселенных? В этом случае было бы неудивительно, что наша цивилизация возникла именно в такой вселенной. Итак, надо обосновать, почему доля вселенных WUniverse с определенным значением R пропорциональна R, а точнее,
Строгое доказательство этой формулы пока не представляется возможным, но выбрать подходящий вариант объяснения вполне можно. Будем исходить из предположения о существовании большого набора вселенных с самыми разными свойствами. Тогда разумно считать, что чем сложнее устроена конкретная вселенная, тем реже вселенные такого типа встречаются. Конечно, разумная жизнь не возникает в совсем простых вселенных, каких большинство. Есть некий порог сложности, ниже которого не стоит опускаться. Разум появляется в тех вселенных, где этот порог превышен. Их число много меньше, чем простых вселенных, но только они и интересны. Другими словами, если все множество вселенных разбить по степени их сложности, то получим набор
Индекс означает степень сложности вселенной, K1 — число самых простых вселенных, K2 — число вселенных, устроенных чуть более сложно, и т. д. Число самых простых вселенных, где возможно появление разума, обозначено как KU. KU+1 — число вселенных, более сложных по сравнению с KU. Выше было предположено, что чем сложнее вселенные, тем их доля меньше. Это означает, что
Но раз число простых вселенных, населенных разумом, больше (а скорее, много больше) числа более сложных вселенных, населенных разумом, то вероятность разумной цивилизации обнаружить себя в простой вселенной выше (а скорее, много выше), чем в более сложной. Термин «простая» в данном случае означает, что свойства данной вселенной определяются наименьшим числом постулатов. А это как раз и значит, что наша вселенная, населенная разумной жизнью, должна описываться красивой теорией.
Итак, в начале этой главы были перечислены три основных пути развития науки. Вариант В, использующий идею о множественности вселенных, представляется вполне работоспособным. В нем предлагается не заботиться о конкретном способе создания вселенной со свойствами, подходящими для зарождения разума, а «просто» создать множество вселенных со всевозможными значениями темной энергии и остальными физическими параметрами — какая-нибудь да подойдет. Возможно, и природе проще создавать вселенные с самыми разными свойствами, не заботясь о деталях. Тогда обязательно найдутся вселенные, подходящие для зарождения живых существ.
Вопрос, который волнует всех без исключения: где же все эти вселенные находятся и почему их свойства различны? Ответу на вторую часть вопроса посвящен следующий раздел «Случайный потенциал». Конкретная реализация механизма возникновения различных по свойствам вселенных сейчас разрабатывается заинтересованными учеными, например в теории струн. Ответ на первую часть вопроса дать проще. В главе 2 рассмотрен механизм инфляции. Один из результатов состоит в том, что наша Вселенная — это всего лишь небольшая, видимая, часть всей, Большой, Вселенной, размер которой
\( 10^<10^<12>> \) см (размер видимой части Вселенной
10 28 см). Другие вселенные, с другими свойствами, находятся на границе нашей Большой Вселенной и дальше.
Внимательное чтение этой книги должно привести читателя к пониманию исключительной важности понятия потенциала. Именно он определяет свойства частиц и, в конечном итоге, всей Вселенной. Основное влияние оказывает форма минимума потенциала, просто потому, что именно в области минимумов развиваются основные события — определяются массы частиц и устанавливаются параметры взаимодействия. Но если потенциал имеет один минимум, то и свойства вселенных будут одинаковыми. Наличие нескольких минимумов тоже не спасает.
Посмотрим, содержит ли современная теория намеки на потенциалы с большим, а лучше — с бесконечным числом минимумов.
Случайный потенциал
Настоящие приключения начинаются с поиска не новых пейзажей, а свежих глаз.
Марсель Пруст
На протяжении всей этой главы упоминались вселенные с различными свойствами. Вопросы о местонахождении этих вселенных и причинах, приводящих к различию их свойств, обходились стороной. Сейчас подходящий момент для обсуждения этой проблемы. В первой главе уже вводилось понятие поля, как основа современной физики, и здесь оно будет использовано. Поскольку, как мы видели, для инфляционной стадии необходимо существование скалярного поля, рассмотрим именно его.
Само поле физического смысла обычно не несет, в отличие от кинетической и потенциальной энергии, связанной с этим полем. Точнее, потенциал V зависит от значения поля φ и имеет физический смысл плотности энергии этого поля. Вид функции V(φ) показывает, какую плотность энергии имеет пространство в некоторой области в зависимости от значения поля φ в этой области. Этот вид изначально не определен и в теоретических моделях выбирается в зависимости от целей исследования. Например, простейшие инфляционные модели основаны на потенциалах вида V(φ) = aφ 2 либо V(φ) = aφ 4 (последняя, похоже, противоречит наблюдениям). Кинетическая энергия может зависеть от самого поля и его производных. Именно эти две величины (кинетическая и потенциальная энергия) обычно постулируются, и только они имеют физический смысл.
Чтобы представить себе что понимается под словами «кинетическая энергия поля», представим себе небольшую область пространства, заполненную полем-сгустком. Очевидно, что энергия этой области отличается от энергии таких же областей, но пустых, полем обделенных. Но если наш сгусток поля движется с некоторой скоростью, то его энергия отличается от энергии неподвижного сгустка. Именно это отличие и связано с кинетической энергией.
Часто используются и другие формы потенциалов, но все они имеют некоторые странности, которые обычно не обсуждаются. Например, принято выбирать минимум потенциала при значении φ = 0 . Но если все значения поля φ непосредственного физического смысла не имеют, то почему отдается предпочтение именно величине φ = 0 ? Кроме того, при планковских плотностях энергии квантовые флуктуации заведомо велики и, значит, при значениях поля φ > φP , при которых потенциалы становятся больше планковской плотности, они теряют всякий смысл. Это означает, что как только мы фиксируем вид потенциала, мы сразу создаем себе проблемы при высоких плотностях энергии.
Еще один важный вопрос к будущей сверхтеории, однозначно вытекающий из всего сказанного в этой главе. Законы Природы, которые еще предстоит открыть, должны объяснять значения масс всех частиц, параметры взаимодействия, спины и т. д. Эти законы объективно существуют и, конечно, никакой связи с разумной жизнью не поддерживают. И тем не менее, они, законы, как будто специально приводят к таким параметрам (массам и т. д.) Вселенной, чтобы разумная жизнь могла возникнуть. Будущая сверхтеория должна, кроме всего прочего, разрешить эту загадку.
Такой теории у нас пока нет. Тем не менее, мы можем проанализировать различные варианты решения проблемы, не вдаваясь в детали их осуществления. Упростим себе задачу и будем следить лишь за положением минимумов потенциала. Выделенная роль минимумов состоит в том, что поле, предоставленное само себе, стремится именно к такому состоянию, при котором потенциал минимален. Так же и шарик скатывается с горки вниз и после недолгих телодвижений располагается в долине.
Итак, мы живем в одном из минимумов потенциала. Точнее, поле, стремясь в один из минимумов своего потенциала, породило частицы, а с ними и всю наблюдаемую Вселенную. Механизм инфляции, ответственный за это, рассмотрен в главе 2. Каковы же варианты их расположения, т. е. при каких значениях поля φ функция V(φ) минимальна?
Рис. 5.4. Потенциал с конечным числом минимумов, расположенных около нулевого значения поля
Вариант 1. Значение поля φ = 0 действительно выделено. Минимум (или конечное число минимумов) потенциала расположен(ы) около нулевого значения поля, и других минимумов не существует ( рис. 5.4 ). Это действительно может иметь место, например в многомерных теориях, где поле φ связано с размером дополнительного пространства. Такой вариант возможен, но ответ на «антропную проблему» (почему параметры теории приводят к появлению жизни) вряд ли будет получен.
Вариант 2. Число минимумов потенциала бесконечно велико. Они расположены по некоторому, неизвестному пока закону. Возможный вариант представлен на рис. 5.5 . Будущая теория, конечно, объяснит, по какому именно закону, но «антропная проблема» и здесь остается актуальной, хотя и в ослабленном виде. Действительно, почему в счетном наборе минимумов, подчиняющихся определенному закону, должен существовать некий уникальный минимум с точнейшей подстройкой параметров, приводящих к появлению жизни? Это маловероятная ситуация.
Рис. 5.5. Потенциал с бесконечным числом минимумов, расположенных согласно некоему закону
Вариант 3. Число минимумов потенциала бесконечно велико, но расположены они случайным образом. На рис. 5.6 изображена часть такого «случайного» потенциала. Вот этот вариант вполне самосогласованно отвечает на антропный вопрос: «случайность» означает, что вероятность каждого следующего минимума быть подходящим для возникновения разума не равна нулю, хотя и очень мала. А поскольку минимумов бесконечно много, подходящий обязательно найдется.
Рис. 5.6. Потенциал с бесконечным числом минимумов, расположенных хаотично
Другие варианты придумать непросто. Итак, похоже, что любая однозначно заданная форма потенциала противоречит факту существования разума во Вселенной. И не имеет значения, выдуман потенциал из головы или получен как следствие будущей сверхтеории. Слишком мала вероятность того, что изначально закладываемые свойства мира будут пригодны для разумной жизни. Скорее всего, осуществляется третий вариант, и будущая теория должна указать путь его реализации.
Какую же информацию можно извлечь, следуя варианту 3, т. е. предполагая, что потенциал — случайная функция? Несколько лет назад автору удалось показать, что подобный подход имеет ряд преимуществ и является самосогласованным. Далее это демонстрируется на одном примере.
Отступление. Количество минимумов
Прежде всего, сформулируем более точно понятие случайного потенциала.
Пусть имеется плотность вероятности P(V, φ) , определяющая вероятность dP = P(V , φ) dV найти значение потенциала V в интервале dV, если значение поля равно φ. Именно функция P(V, φ) должна быть определена будущей теорией, сейчас же мы можем только констатировать факт ее существования. Теперь, единственное, что нам нужно, это сформулировать утверждение-постулат:
Пусть при некотором значении поля φ0 известно значение потенциала V0. Тогда существует такое Φ (0 , что для любых V и φ, таких, что |φ − φ0| > Φ , выполняется условие P(V, φ) > 0 , не зависящее от φ0.
Строгим следствием этого постулата является наличие бесконечного числа минимумов. Для доказательства предположим обратное: начиная с некоторого значения поля φ1 минимумы отсутствуют и, следовательно, функция V(φ) строго положительна (или строго отрицательна). Тогда плотность вероятности P(V ( или P(V > 0, φ) = 0 соответственно) для любых |φ| > φ1 . Но это противоречит постулату. Значит, число минимумов бесконечно и потенциал выглядит примерно так, как показано на рис. 5.6 . Как уже упоминалось, наша Вселенная расположена в одном из минимумов потенциала.
Из всей логики предыдущего обсуждения вытекает, что вероятность найти значение потенциала в минимуме, т. е. в точках m − 1 , m, m + 1 , точно равным нулю, бесконечно мала. Это значит, что в нашей Вселенной, находящейся, скажем, в минимуме m, плотность энергии вакуума обязательно отлична от нуля. Как мы знаем, наблюдательные данные как раз и подтверждают это. Кстати, если в будущем окажется, что плотность энергии вакуума все-таки равна нулю, это опровергнет всю конструкцию, описанную выше. То, что имеется принципиальная возможность опровергнуть какую-либо теорию, является положительным моментом для нее. Странно выглядела бы теория, легко приспосабливающаяся к новым экспериментальным данным. Это означало бы нулевую предсказательную силу такой теории.
И еще один момент. Как известно, наблюдаемое значение плотности энергии вакуума крайне мало. При естественном значении
1 (в планковских единицах) эта величина равна по порядку величины 10 −123 ! Современные теории не в состоянии объяснить этот факт. С позиций же случайного потенциала ситуация выглядит следующим образом. Имеется бесконечное число минимумов, в каждом из которых, согласно постулату, вероятность обнаружить плотность энергии в любом малом интервале не равна нулю. Значит, всегда найдутся минимумы, расположенные сколь угодно близко к нулю. Доля их, конечно, крайне мала, но, поскольку всех минимумов бесконечно много, число таких минимумов также бесконечно.
Итак, с точки зрения случайного потенциала малое значение плотности энергии означает лишь, что доля вселенных с таким свойством мала. Мы живем в одной из них, и нет нам дела до остальных вселенных, поскольку взаимодействие между вселенными отсутствует.
О роли флуктуаций в самых разных областях и, в частности, их связи с возникновением разумной жизни см. Приложение 7.
Замечание напоследок
А так ли уж хорошо позаботилась Природа о детях своих? Избавила ли она нас от глобальных катастроф, ведущих к гибели всего живого? Природные катастрофы прошлого вполне могли быть причиной гибели жизни на Земле. Первая катастрофа произошла 2,5 млрд лет назад, в первый ледниковый период, когда лед покрыл всю Землю, включая и экваториальные области. Причины столь глубокого и длительного похолодания на планете не вполне ясны. Одна из гипотез связывает похолодание со снижением парникового эффекта атмосферы в результате жизнедеятельности бактерий. Фотосинтезирующие организмы поглотили из атмосферы гигантский объем углекислого газа, ответственного за парниковый эффект. Земля полностью покрылась льдом. Выжили только те одноклеточные, которые случайно оказались в местах, нагреваемых теплом, идущим от ядра Земли.
Еще одна катастрофа произошла 250 млн лет назад на границе палеозоя и мезозоя, когда погибло 95% всех видов, населявших Землю. Тепло земного ядра, спасшее зарождающуюся жизнь 2,5 млрд лет назад, чуть не привело к ее гибели: колоссальный выброс лавы в районе нынешней Сибири привел к новому катастрофическому парниковому эффекту 650 млн лет назад. Температура поверхности Земли увеличилась на 10–20 градусов , реки испарились. Второй ледниковый период, на границе мезозоя и кайнозоя, привел к известному вымиранию динозавров. По другой гипотезе, причиной послужил 10-километровый метеорит, упавший в океан. Да и тунгусский метеорит, будь он в несколько раз больше, мог быть причиной глобальной гибели людей.
Впрочем, биосфера представляет собой весьма устойчивую систему, разрушить которую полностью не так-то просто.
1 В. Е. Островский, Е. А. Кадышевич // УФН. 2007. Т. 177, № 2.
2 Окунь Л. Б. Фундаментальные константы физики // УФН. 1991. № 9.
Источник